Thémadoc Les énergies renouvelables, c'est quoi ?

Barrage et retenue de Roselend, en Savoie, au soleil couchant, vue d'aval

I - L'eau, une ressource naturelle

L'eau couvre 70 % de la surface de la planète. Sous les effets du Soleil, elle change constamment d'état.

1 - Le cycle de l'eau

Les changements d'état de l'eau à l'échelle planétaire

L'eau des océans et des mers s'évapore sous l'effet du rayonnement* solaire (à cette évaporation s'ajoute l'évapotranspiration des êtres vivants). Dans l'atmosphère*, où la température* est plus basse, cette vapeur d'eau se condense en gouttelettes ou cristaux de neige dans les nuages. L'eau des nuages retombe en pluie, neige ou grêle. Une partie de l'eau tombée au-dessus des continents rejoint à nouveau les océans et les mers par les rivières et les fleuves : c'est l'eau superficielle.
Une partie s'infiltre dans le sol et les roches et rejoint plus tardivement l'océan : c'est l'eau souterraine. Enfin, une partie est stockée momentanément sous forme de glace.
Ainsi, à condition qu'il n'y ait pas de prélèvement démesuré dans l'un de ces réservoirs naturels, l'eau est brassée en permanence à l'échelle du globe.

2 - L'eau utilisable pour les besoins humains

Seule l'eau douce est utilisable, alors qu'elle ne représente que 3 % de la totalité de l'eau du globe. Des techniques permettent d'obtenir de l'eau douce à partir de l'eau salée, mais elles sont très coûteuses. Il faut donc savoir l'exploiter avec discernement, d'autant plus que seulement 1 % est directement disponible (ce sont les eaux superficielles et les eaux souterraines), le reste est stocké dans les glaciers et les calottes polaires.
Les trois principales utilisations humaines de l'eau douce sont :
- l'alimentation et l'hygiène humaine ;
- l'agriculture, essentiellement pour les irrigations ;
- l'industrie.

8 pays (Brésil, Russie, Canada, États-Unis, Chine, Indonésie, Inde et Colombie) et les 15 états de l'Union européenne se partagent les 2/3 des ressources mondiales en eau. Un Américain du Nord utilise en moyenne 600 litres d'eau par jour, un Africain 30 litres. Un être humain sur 4 vit aujourd'hui sans accès à l'eau potable.

II - L'énergie hydraulique

Hier

Le moulin de Lecq à Jersey

1 - L'utilisation de l'eau accompagne l'histoire de l'homme

L'homme apprend très tôt à apprivoiser l'eau. Les premiers moulins à eau sont apparus en même temps en Occident et en Chine vers la fin du II^e siècle av. J.-C. et décrits pour la première fois par le géographe grec Strabon au I^er siècle. Le moulin à eau est à l'origine d'une première révolution technologique et industrielle au Moyen Âge, avec la multiplication des forges pour la fabrication du fer. On adapte selon les régions et les besoins les moulins à écraser le grain, tamiser la farine, fouler le drap, tanner les peaux, écraser les olives, fabriquer les papiers, etc.
À l'origine, le moulin à eau était constitué d'une roue à aubes* horizontales actionnant une meule de pierre par l'intermédiaire d'un arbre vertical. La puissance* produite était d'environ 300 watts*, soit celle d'un âne attelé à une roue. Les Romains perfectionnèrent ces techniques et construisirent même sous l'Empire en Provence, à Barbegal, au débouché d'un aqueduc, une véritable usine à flanc de coteau capable de moudre avec ses 16 meules environ 28 tonnes de blé par jour, soit la nourriture d'environ 80 000 personnes.
Au Moyen Âge, les moulins sont tellement rentables que les seigneurs les plus puissants, ecclésiastiques ou laïques, s'en réservent le monopole, obligeant vassaux et peuple à utiliser leur moulin et à acquitter des redevances pour leur utilisation. Les moulins sont aussi à l'origine de véritables conflits sociaux liés à cette obligation et à la perte de travail résultant de l'utilisation de cette technique.
Les ingénieurs médiévaux construisirent même des moulins à marée, ancêtres de l'usine marémotrice de la Rance.

2 - C'est aussi une histoire de machine

Les machines hydrauliques ont évolué dans l'histoire en commençant par la roue à palettes, la roue horizontale et la roue verticale avec engrenages (la roue en dessous, la roue de côté et la roue en dessus), en continuant par les moulins flottants, les moulins à marée, pour terminer par les turbines*.

a) La roue à palettes : cette roue dont le périmètre est garni de palettes et godets servait à élever l'eau, les palettes plongeant dans la rivière permettant le mouvement de la roue.

Noria en bambou

b) La roue horizontale : cette roue, entièrement immergée dans la rivière, est fixée à un arbre vertical avec, à l'autre extrémité, une meule. Ces moulins étaient, donc, exclusivement dédiés à la mouture des grains.

Shui chhê de 1637

c) La roue verticale apparaît dans l'Empire romain comme par exemple dans la région d'Arles à Barbegal.
Au Moyen Âge, on invente l'arbre à cames*, ce qui permettra d'actionner d'autres machines. L'énergie hydraulique* va mouvoir les premières machines des manufactures de la Révolution industrielle. En 1848, on dénombre 22 500 moulins à eau (dont 17 300 pour le blé) contre 5 200 machines à vapeur en France. Malgré une puissance très faible (300 watts), les roues hydrauliques furent utilisées pendant près de deux millénaires.

d) Les moulins flottants : ils auraient été inventés en 537, lors du siège de Rome par les Goths. En coupant l'alimentation en eau des aqueducs de la ville, les envahisseurs mirent hors service les moulins qui en dépendaient. Le défenseur de la ville, le général byzantin Bélisaire, imagina alors d'installer des moulins à roues à aubes* sur le Tibre, pour assurer l'alimentation en farine de la ville.

e) Les moulins à marée : on en construisit un, en 1130, près de l'embouchure de l'Adour. Un siècle plus tard, on en vit plusieurs près de Venise. Ce n'est qu'au XX^e siècle que l'énergie* marémotrice sera utilisée industriellement avec la centrale de l'estuaire de la Rance (Bretagne).
Les civilisations les plus anciennes ont utilisé l'énergie des courants d'eau ou énergie hydraulique, pour effectuer divers travaux. Deux siècles av. J.-C., les Perses utilisaient déjà les moulins à eau et au cours de l'histoire, ces installations occupèrent une place essentielle dans l'artisanat : meunerie, forge, scierie, filature, tannerie... C'est en 1880 qu'un ingénieur français, Aristide Bergès, utilise le principe du moulin à eau pour produire de l'électricité.

Aujourd'hui

Les centrales hydrauliques* produisent environ 10 % de notre électricité*. Le courant d'eau est utilisé pour actionner la roue d'une turbine*. Cette turbine, à son tour, entraîne un alternateur* grâce auquel l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique*.

Le fonctionnement d'une centrale hydroélectrique

L'énergie des marées dite marémotrice, ou les courants marins, peuvent être aussi transformés en électricité. Près du Mont-Saint-Michel, la centrale de la Rance fonctionne grâce aux mouvements des marées : à marée montante, les turbines sont entraînées par l'eau qui vient de la mer vers les terres, à marée descendante, c'est le contraire, et les turbines changent de sens de rotation. La centrale de la Rance était un projet pilote mais la marémotrice n'a pas vu le succès escompté car elle a été détrôné par d'autres énergies (le nucléaire par exemple) plus rentables.

Barrage de la Rance

Deux facteurs déterminent la puissance d'énergie hydraulique disponible :
- la hauteur de la chute d'eau ;
- le débit* de l'eau.
En fonction des caractéristiques géologiques, topographiques du lieu, on distingue donc deux grands types d'aménagement des sites hydroélectriques.

- Les aménagements de hautes chutes, en montagne où l'eau des torrents dévale des pentes élevées (200 à 1 200 mètres de dénivelé), mais où le débit est souvent faible. Ces centrales fonctionnent aux moments de fortes consommations.
- Les aménagements de basses chutes, en plaine, le long des cours d'eau de faible pente mais à très fort débit. Ce sont des centrales qui fonctionnent en permanence.

La construction de barrages* en amont de la centrale permet de créer artificiellement des chutes d'eau importantes et constitue une réserve d'eau utilisable en fonction des besoins en électricité*. L'eau retenue par le barrage est dirigée par des canaux ou des conduits vers les turbines de la centrale.

Ex. : 1 kilowattheure* peut être obtenu soit par 1 mètre cube d'eau tombant d'une hauteur de 450 mètres, soit par 100 mètres cubes d'eau tombant d'une hauteur de 4,5 mètres.

Il existe 3 types de constructions de barrages.
Un barrage-poids en béton est généralement constitué d'un gros mur implanté à travers la vallée et suivant un axe rectiligne ou curviligne. L'épaisseur du mur augmente d'une manière constante de la crête au pied du mur. Quelques exemples :
- Grand Coulee (USA), construit en 1942. Hauteur : 168 mètres (m) ; largeur : 1592 mètres (m); volume : 9,2 millions de mètres cubes (m³).
- Chambon (France) ; hauteur : 136 mètres (m) ; largeur : 294 mètres (m).

Dans un barrage-voûte, la convexité de la voûte est tournée vers la retenue d'eau et prend appui sur les rives. Quelques exemples :
- Zola (France), construit en 1854. Hauteur : 42 mètres (m) ; largeur : 66 mètres (m).
- Ottay Upper (USA), 1901. Hauteur : 27 mètres (m) ; largeur : 86 mètres (m).

Un barrage à contrefort comporte un voile d'étanchéité soutenu par des piliers régulièrement espacés. Quelques exemples :
- Alcantara II (Espagne), construit en 1969. Hauteur : 138 mètres (m) ; largeur : 1 570 mètres (m).
- La Roche qui boit (France), 1919. Hauteur : 15 mètres (m) ; largeur : 125 mètres (m).

Disposition du barrage par rapport à la centrale hydroélectrique

Barrage de Sainte-Croix-de-Verdon

En France, c'est l'EDF qui s'occupe de la gestion de ces centrales hydroélectriques.
La réalisation d'un barrage* a des conséquences importantes sur l'environnement : modification des milieux aquatiques et terrestres environnants. Des réaménagements doivent être entrepris pour permettre de retrouver la richesse biologique de la rivière : par exemple, certaines centrales aménagent des passes ou des ascenseurs pour les poissons migrateurs comme la truite de mer ou le saumon.
Dans certaines régions, le tourisme se développe autour de ces nouveaux lacs artificiels.

Demain

Les promesses se tournent vers les océans et les mers. L'utilisation de la force des marées (selon le modèle de la Rance), des vagues ou encore des différences de températures entre le fond et la surface des mers tropicales va se développer dans les années à venir. Par exemple, en Écosse, l'usine Limpet qui utilise l'énergie des vagues vient d'ouvrir ; sa puissance (500 kilowatts) équivaut à celle d'une grosse éolienne.

Les vagues, une source d'énergie